SLS的影响在结构和复杂的SLS-HDPE复合材料介电常数

文摘

rs - 4050是一个基于刚性环氧磁浆料微波吸收材料;它被用在许多领域的波导微波波导终端和虚拟加载应用程序。近年来,有一个对复合材料介电常数较低的需求更高的微波损耗系数的应用程序。这项研究,钠钙硅的影响(SLS)结构和复介电常数的碱石灰silica-high密度聚乙烯(SLS-HDPE)复合材料是为了探索替代的可能性进行rs - 4050与SLS-HDPE复合材料微波波导终端和假负载。元素重量SLS玻璃粉末的组成和HDPE被确定通过不同比例的缩放SLS和HDPE。利用x射线衍射(XRD)对SLS-HDPE复合材料的结晶度行为进行调查。拟议中的SLS-HDPE复合材料在8到12 GHz频率进行了研究。使用波导安捷伦N5230A研究机构的技术。微波频率的影响SLS-HDPE复合材料的复介电常数性质不同百分比的SLS和HDPE (SLS HDPE SLS 10% - 90%, 20% - 80%的HDPE, HDPE SLS 30% - 70%, HDPE SLS 40% - 60%,和50% SLS - 50% HDPE)进行调查。结果显示衍射模式显示良好的非晶质量的真正属性结构。 The microwave frequency and composites percentages significantly influenced the complex permittivity (real and imaginary) properties of the composites. Moreover, the complex permittivity increased as the percentage of SLS filler increased in the host matrix HDPE as a result of increased in composite density due to less volume being occupied by the filler as the percentage increased. The complex permittivity of the smallest and largest percentages of SLS (10% and 50%) was (2.67-j0.05) and (3.45-j0.35), respectively. The study revealed that the best sample for waveguide application as microwave terminator is 50% SLS as it has the highest dielectric constant, highest loss factor, and highest loss tangent as compared to 10% SLS to 40% SLS. Also 50% SLS has the highest absorption properties as compare to 10% SLS, 20% SLS, 30% SLS, or 40% SLS. The XRD physical structure of the SLS-HDPE composites revealed the absorption characteristics of different percentages of the materials. The SLS-HDPE composites can be applied in the area of waveguide as a microwave waveguide terminations and dummy loads.

1。介绍

rs - 4050是一个硬环氧建立磁浆料微波吸收装置;它已经被应用在许多领域的波导微波波导终端和虚拟加载应用程序。这种材料是原型建设低功率负载,戒指已经窒息,衰减器和其他无线电频率(RF)吸收组件在微波频率。rs - 4050标准股票盘子的形状,可用于自定义配置,棒和酒吧,或可浇注的包1]。不幸的是,rs - 4050包含环氧树脂是昂贵的,它是基于磁微波终止这并不是必要的。环氧树脂的一个特定的风险是敏化(2]。

近年来,有一个对复合材料介电常数较低的需求更高的微波损耗系数的应用程序。复合材料具有低介电常数高损耗因子有少反映电磁波吸收更多的倾向。这些特点更需要减少电磁干扰(EMI)的影响产生的干扰越来越多的电信用户通过移动电话、局域网络,广泛的区域网络,和雷达系统。不幸的是复合材料低介电常数高损耗系数不是自然存在;有需要这种复合材料的制造。常见的吸收材料是高导磁合金,也就是说,一个合金包含铜、铁、镍和铬等。未受污染的铁或特别称为铁氧体经常用于制造微波吸收复合。然而,类似于各种金属,铁酸盐是破坏性和腐蚀金属,昂贵的,沉重的,他们是不能生物降解的。铁氧体有更高的复介电常数(3];这意味着铁氧体反映更多的钱;铁氧体的反映特点不利于安全,这种反射可以检测到雷达或干扰电子设备。然而,钠钙硅玻璃(SLS)被选为取代铁酸盐由于其众多的特点;SLS低介电常数、高损耗系数,这意味着与聚合物复合时(HDPE) [4]。SLS-HDPE复合材料将有能力反映和吸收更多的更少。SLS是生物可降解,无腐蚀性的,成本效益和环保的。

高密度聚乙烯(HDPE)和聚已酸内酯(PCL)广泛应用于生物医学。这些材料的主要优势是他们的生物相容性和缓慢退化伴随着水和二氧化碳的释放使这些聚合物良好的纯生态包装材料。因此,研究这些材料的介电和电特性,在特定的吸收各种频段的电磁波,具有重要的科学和实际利益5]。微波吸收剂处理使用不同的聚合物矩阵和聚合物被传统认为是正确的载波矩阵粒子。在某些情况下,聚合物还作为聚合物基复合材料的吸收组件。这是因为,而聚合物作为矩阵如环氧树脂,聚氨酯,橡胶,它还有助于提高电磁(EM)波的吸收特性,如聚苯胺的情况。结合聚合物基复合材料高EM波粒子和简单的加工性能和多功能性的聚合物。这些材料是理想希望作为电磁波吸收器与低密度薄厚度,广泛的吸收带,高EM波损失,甚至其他功能(6]。

填料具有独特的化学、物理和机械性能,与聚合物混合在一起构成复合材料技术突破的巨大优势。传统的金属氧化物,如钛酸钡(BaTiO₃),二氧化钛(TiO₂)、铝(Al₂O₃)和二氧化硅(SiO₂)被广泛称为有效的强化材料,提高polymer-silicate复合介电性能和机械性能。在过去的十年中,半导体氧化物(SiO,曹和Na₂O)吸引了如此多的利益由于其潜在的不同的电子和光子设备应用程序(7]。最近的研究表明,polymer-silicate复合材料表现出优异的发光,光学介质,biosensitivity属性。领域的研究一直在进行电气性能polymer-oxides成分合成的原位聚合和熔体混合8]。

聚合物复合材料的复介电常数特性主要由导电填料(修改9]。然而,填料的性质或类型决定了聚合物复合材料的介电常数特性。典型的导电性复合材料的形成是由于连续的填料粒子在聚合物网络矩阵。这种导电复合材料广泛应用于静电放电损耗、电磁干扰屏蔽,和其他各种电子应用程序(10]。聚合物基复合材料包含导电填料被广泛研究由于对先进技术和电子系统日益增长的需求11]。导电材料可以正确的选择使用盾牌,尤其是在低频(12]。使用它们在电子领域的灵活性导体和吸收材料特别是关于电磁辐射(13]。在传统的导电复合材料,炭黑粒子在微米尺寸用于实现想要的电特性。研究表明,大型填充内容导致可怜的复合材料(14];玻璃粉末增强聚合物的使用导致了生产的复合材料具有独特的绝缘和机械性能。填充材料以各种不同的形式出现;这些形式可能在金属、半导体氧化物、介电陶瓷、和碳材料(14]。研究复杂的介电常数和NiFe2O4的电气性能,ZnFe2O4, Zn0.5Ni0.5Fe2O4纳米粒子是通过化学(自燃的反应)技术(15]。他们发现界面极化介质和复数阻抗的研究这些样本可以归因于主要界面效应由于其非度量颗粒大小。介电常数随填料尺寸增大而减小。

2。实验

钠钙silica-high密度聚乙烯(SLS-HDPE)复合材料是准备使用熔体混合技术。Brabender混合机用于混合和复合SLS和HDPE的混合在一起。复合材料的颗粒大小和形状得到使用烤箱(替代高能激光实验室。1330 GX Sheldon制造Inc .)和液压压机(弗雷德·卡佛部分号:973110)为4吨。SLS-HDPE复合材料的制备,总共25.0 g是准备每个组成的复合材料。容易识别的成分标注50% HDPE, HDPE的60%,70%的HDPE, HDPE的80%,90%的HDPE, 100% HDPE, 100% SLS。的研究仅限于比率50% SLS和50% HDPE因为进一步的SLS填料会导致灵活性和增加复合材料的吸收,可以产生更多的热量,最终复合材料会分手。群众的总结和百分比为每个元素提出了表的表格形式1。

SLS-HDPE复合材料是准备通过熔体混合技术使用Brabender poly-drive三相电机驱动为1.5千瓦,3 x230 V, 40,速度范围0 - 120 rpm。在这种方法中,这台机器是取暖设置为170°C;转子的转动将50 rpm。机器已达到所需的温度后(170°C)、HDPE涌入了瓶Brabender加热块。5分钟后63年SLS粉μ介绍了m粒度入瓶。混合是留给另一个前5分钟取出,制成所需的尺寸。然后复合材料模压根据所需的形状和尺寸。在这个研究中,矩形0.22 cm x 0.11 cm和6毫米厚的制造使用烤箱(替代高能激光实验室。1330 GX Sheldon制造Inc .)和液压压机(弗雷德·卡佛部分号:973110)为4吨。烤箱是温度(170°C);复合材料被放入烤箱,可以融化融化后30分钟,复合材料被压在一个期望的形状用液压机在4吨。

描述(电气和形态)用于本研究的样本50% HDPE和50% SLS, SLS HDPE 60%和40%,70% HDPE和30% SLS, SLS HDPE 80%和20%,90% HDPE和10% SLS, HDPE的100%,和100% SLS;x射线衍射(XRD);和矢量网络分析仪(VNA)作为需要。

x射线衍射分析用于研究结晶度、结构和相位分析的样本。x射线数据收集使用一个完全自动化的飞利浦飞利浦PW3040/60 (MPD)与Cu-K X-pert系统α辐射。1.5405 x射线波长和衍射模式被记录在2θ的范围(0 - 90°)的扫描速度2°/分钟。x射线结晶度( )由西格尔的公式计算利用强度测量2θ22.5°和16.8°(无定形背景)17,18]: 在哪里表示002年的最大峰值约为2θ= 22.5°和相对应的最低强度2θ= 16.8°。

使用波导技术测量SLS-HDPE复合材料的介电常数。在这种方法中通过样品的总电传播是相同的所有样品的表面积;因此结果可以依靠。结果介电常数、损耗系数和损耗角正切获得使用矩形波导中提供数据4,5,6。在引导电磁波从点对点,采用波导和电磁波传播沿波导(19]。完全填充波导技术用来测量复杂的复合材料的介电常数,标定方法具有反射和传输操作。图1是一个图解表达式显示端口设置完整的示例在波导。

3所示。结果与讨论

100% SLS的XRD模式,100% HDPE, SLS-HDPE各种百分比给出数据2和3。的模式100% SLS的XRD图所示2观察和广泛的峰值在2θ= 16°-38°,表明它是无定形的20.),而图3显示,100% HDPE衍射峰在2θ= 21.0°,24.1°;这是在协议与Patwary和米塔尔(获得的结果21),可以分配给纯HDPE 100%。两个尖锐的衍射峰的存在纯HDPE图或100%3说明了半晶质纯HDPE的性质。提高SLS填料比例逐渐显示减少在衍射峰的强度信号SLS填料添加。结晶度的下降与粒子结构的刚度的增加,从而导致介电常数增加填料的22]。这一增长预计将增加复合材料的电性质(23]。粒子的物理和化学性质都很大程度上依赖于这一空白,粒子大小、无定形的比率,和水晶阶段被Murillo et al。24和理查德et al。25]。

所有SLS-HDPE复合材料的x射线衍射模式不显示任何二次峰值表示纯样品材料样本。XRD概要,衍射100% SLS兼容的模式进行的研究(26]。HDPE的结晶度和夏普的山峰被发现在10% SLS。仔细观察表明,样品的衍射峰20% SLS 21.0°, 24.1°显示峰值强度降低。%的HDPE越高,相对衍射强度峰值越高。然而,复合后,HDPE的尖锐的峰的强度似乎减少%的SLS填料增加;广泛的光环峰值也会增加。衍射模式显示良好的非晶质量与一个真正的属性和结构(26]。从显示的结果,毫无疑问,晶体结构材料强度下降后SLS填料的比例增加。

SLS-HDPE复合材料的介电常数是用矩形波导测量技术。结果介电常数、损耗系数和损耗角正切获得使用矩形波导中提供数据4- - - - - -6。在这种方法中通过样品的总电传播是相同的所有样品的表面积。数据4,5,6显示真实的变化Ɛ′(介电常数),虚构的Ɛ′′部分(损耗系数)的介电常数、损耗角正切 ,分别使用X111644A x波段波导(TRL)方法的安捷伦85071软件工具材料测量。表2显示了意味着复杂的所有样品的介电常数。观察图4表明,50% SLS-HDPE复合材料的介电常数计算介电常数为3.2928 8下降到3.1178 GHz的频率达到10 GHz。这个介电常数下降是由于偶极子放松作为复合材料滞后于应用领域的快速变化27,28]。即介质(或介电复合)是绝缘体,可以应用电场的极化结果。电介质在电场时,没有流动的电荷通过电导体的材料一样,但稍微转变引起电介质极化(从他们的常规平衡分29日]。由于电介质极化,正电荷是流离失所的方向场和负电荷相反的方向转变。这将创建一个内部电场,降低了整体场介质本身。进一步观察显示系统逐步减少所有SLS-HDPE复合材料的介电常数随着频率的增加。介电常数与频率的减少可以解释由于极化的影响发生在复合材料由于连续变化的电场。这个组件或微波领域负责材料与电磁波的相互作用[30.]。数据4- - - - - -6显示某种形式的振动在介电常数,损耗系数和损耗角正切的复合材料。这是由于复合材料厚度相对较薄(31日]。厚样品很难修复的复合波导管不离开一个样本之间的气隙和波导壁,综合降低到仅仅6毫米的厚度能够被固定到波导管不离开一个气隙之间的样本和波导壁管。峰值或波长的一半λ/ 2效果图为重复样本由于多次反射的影响,这导致发生多次反射的样品的厚度是6毫米;由于薄样品前后表面反射的大小不能被吸收的样品(31日,32]。

结果表明,SLS越高越高Ɛ′;SLS越高也越高Ɛ′′。这是归因于增加损耗因子随着% HDPE和% SLS填料的增加而减少。越高Ɛ′′,反射越高和更低的传输是观察SLS填料增加%。观察图4表明,50% SLS-HDPE复合材料的介电常数测量介电常数的频率为3.2928 GHz下降到3.1178,8点到达10 GHz。这个介电常数下降是由于偶极子Si⁺和O^{- - - - - -}放松的复合材料应用领域落后于快速变化的波导(27]。进一步观察显示系统的介电常数随着频率的增加逐渐下降SLS-HDPE复合材料。介电常数随着频率的增加下降可以归因于介电常数色散界面极化,即电荷积累在HDPE和SLS之间的界面复合由于外部字段(33]。

解密的HDPE低损耗材料的高损失材料清晰可见的结果损耗角正切的损失50% SLS微粒是0.02,小于1。另外,有顺序的损耗角正切增加复合材料随着SLS微粒子含量的增加。损耗角正切的趋势得到了同意,所有复合材料的损耗因子。结果从表2显示主机矩阵HDPE SLS百分比越高越高Ɛ′;也越高% SLS主机矩阵HDPE越高Ɛ′′。这是归因于增加损耗因子随着% HDPE和% SLS填料的增加而减少。图4显示了介电常数的增加的百分比SLS填料提高HDPE主机矩阵。越高Ɛ′′,反射越高和更低的传输是观察SLS填料增加%。SLS填料比例的增加带来了增加复合材料的热导率和吸收从而增加导致增加的损耗因子组合(图5)。

高介电常数较低的频率范围是由于观察到异构传导的多相复合材料(28]。介电常数的虚部(损耗因子),50%的损耗因子测量SLS-HDPE复合材料是8点0.3589 GHz对微波吸收和微波终止。逐步增加复合材料的损耗因子增加频率符合测量由(34]。损耗因子在更高频率的增加价值表明他们是无损材料在微波频率(35]。较高的介电常数和损耗因子将提高SLS粒子在聚合物基质35]。介电损耗上升由于电荷载体的局部运动。

4所示。结论

SLS-HDPE复合材料准备使用熔体混合技术。七种不同的百分比从10% SLS和HDPE SLS和90% HDPE复合材料HDPE SLS的50%和50%,也纯HDPE或100% SLS和100%,根据他们的介电性能进行了分析。波导的最好示例应用程序作为微波波导终端和假负载50% SLS介电常数最高,最高的损耗系数和损耗角正切最高10% SLS SLS的40%。50% SLS吸收性能比最高10% SLS, 20% SLS, 30% SLS,或40% SLS。

XRD分析结果数据2和3表明SLS-HDPE非晶复合材料。材料的介电常数测量使用矩形波导的方法。SLS的不同百分比的影响填料SLS-HDPE复合材料的介电性能分析对整个频率范围内8 GHz和12之间GHz (x波段)。SLS-HDPE复合材料的介电常数和损耗系数从2.67变化到3.45和0.05至0.35,分别在x波段频率。发现SLS-HDPE复合材料的介电常数和损耗因子值%的SLS的增加而增加。

数据可用性

XRD和波导数据用于这项研究尚未公开,因为我们还在进一步的成就,但它很快就会公开,当我们完成工作。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

作者想表达自己的真诚的赞赏化学和VNA物理实验室的工作人员,帮助制造,测试和测量复合材料。作者也感谢先进技术研究所(itma),大学Putra马来西亚,对他们的帮助测试和测量的测试样本。

补充材料

图形抽象。(补充材料)

引用

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